DE19752221C2 - Verfahren zur Viskositätsmessung von Maischen - Google Patents
Verfahren zur Viskositätsmessung von MaischenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Viskositätsmessung von Maischen
mit Nicht-Newtonschem Fließverhalten.
Es ist nach dem Stand der Technik bekannt, die Viskosität eines Newtonschen Fluids
durch Geräte zu messen, die nach dem Prinzip von Scherspalten arbeiten. Solche Ge
räte sind z. B. ein Rotationsviskosimeter oder ein Kugelfallviskosimeter. Bei sogenann
ten Newtonschen Medien ist die Stärke der Reibungskraft zwischen einzelnen Schich
ten einer laminaren Strömung bestimmt durch die dynamische Viskosität oder Zähigkeit
des Mediums, die Fläche der Schicht und den Geschwindigkeitsgradienten zu benach
barten Schichten. Für Nicht-Newtonsche Substanzen, für die das Newtonsche Schub
spannungsgesetz nicht gilt, und/oder deren Verformung nicht plastisch ist, sind diese
Viskosimeter jedoch nur eingeschränkt zur Bestimmung der dynamischen Viskosität
geeignet. Zu den Nicht-Newtonschen Substanzen gehören insbesondere Suspensio
nen, d. h. Flüssigkeiten, in denen feste Stoffe aufgeschwemmt sind. Solche Feststoffe
enthaltende Newtonsche und Nicht-Newtonsche Fluide sind mit den zuvor genannten
herkömmlichen Viskosimetern nur charakterisierbar, wenn sie als Reinstoffe vorliegen
bzw. nur kleine Partikeldurchmesser und kleine Feststoffbeladungen aufweisen. Wenn
die Partikelgrößen und/oder die Feststoffbeladung ansteigen, z. B. über ca. ein Zehntel
des vorhandenen Scherspalts, ist keine genaue Messung aufgrund von Verstopfung
und eines dominierenden Einflusses der Partikelwechselwirkung möglich. Dies trifft ins
besondere bei Suspensionen zu, wie sie z. B. in der Brautechnik (Maischen), Lebens
mittelindustrie oder Biotechnologie vorkommen.
Ein weiteres nach dem Stand der Technik bekanntes Gerät zur Messung der Viskosität
ist das Schwingungsviskosimeter. Es hat sich herausgestellt, daß auch diese Schwin
gungsviskosimeter keine verläßlichen Messungen der tatsächlichen Viskosität einer
Suspension schaffen. Vielmehr wird bei den Schwingungsviskosimetern häufig nur die
Viskosität der Trägerflüssigkeit gemessen. Die meist großen Meßfehler hängen zudem
noch von Eigenschaften der Suspension, wie dem Durchmesser der aufgeschwemm
ten Feststoffteilchen, und der Feststoffbeladung ab.
Aus der WO 87/01198 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der
Viskosität einer Flüssigkeit bekannt. Die dort gezeigte Vorrichtung beinhaltet einen her
kömmlichen Schaufelrührer sowie eine Vorrichtung zur Messung der Leistungsauf
nahme des Rührwerks. Der gemessene Leistungsverbrauch wird zur Viskositätsmes
sung einer Flüssigkeit verwendet, ohne daß jedoch das Rührwerk unter Verwendung
einer Newtonschen Flüssigkeit mit bekannter dynamischer Viskosität kalibriert wird.
Aus der US-PS 2237743 ist ein Viskosimeter mit scheibenförmigem Viskosimeterrad
bekannt. Die Drehwelle ist mit einem Motor, dessen Leistungsaufnahme meßbar ist,
gekoppelt.
Aus der DE 29 29 437 A1 ist eine Anordnung zur Bestimmung der abgegebenen Lei
stung eine Induktionsmotors bekannt.
Aus der DE-AS 11 30 205 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur gleichzeitigen Mes
sung von Viskositäts- und Elastizitätsänderungen eines Stoffes während des Ablaufs
von Stoffumwandlungen chemischer oder physikalischer Art bekannt. Dabei wird das
Reaktionsdrehmoment eines in der Probenmasse umlaufenden Rührers mehrfach
hintereinander gemessen. Eine Eichung mittels eines Newtonschen Mediums ist aus
dieser Schrift nicht bekannt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur
Viskositätsmessung von Maischen, d. h. von Suspensionen mit hohen Feststoffbela
dungen bzw. großen Partikeldurchmessern mit Nicht-Newtonschem Fließverhalten, mit
erhöhter Meßgenauigkeit und Zuverlässigkeit zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Viskositätsmes
sung von Maischen, d. h. von Suspensionen mit hohen Feststoffbeladungen bzw. gro
ßen Partikeldurchmessern, und Nicht-Newtonschem Fließverhalten, unter Verwendung
einer Rührvorrichtung mit einem Rührbehälter zur Aufnahme eines Fluids, einem in
dem Rührbehälter angeordneten Rührorgan und einer Vorrichtung zur Erzeugung ei
ner Drehbewegung des Rührorgans bezüglich des Rührbehälters, wobei die Lei
stungsaufnahme bei einer Vielzahl von ermittelbaren Drehzahlwerten für ein Fluid mit
bekannter dynamischer Viskosität gemessen wird und eine rührvorrichtungsspezifische
und von der Art des Mediums unabhängige Leistungskennlinie bestimmt wird, und
Messen der Leistungsaufnahme bei verschiedenen Drehzahlen für Nicht-Newtonsche
Maischen als das zu untersuchende Fluid, deren Viskosität ermittelt werden soll, und
Berechnen der gesuchten Viskosität des zu untersuchenden Mediums aus der Lei
stungskennlinie, der gemessenen Leistungsaufnahme und der für die Leistungsauf
nahmemessung angewendeten Drehzahlen.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einem Vergleich der Leistungsaufnah
men einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Strömung relativ zu einem Agitationsorgan
in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit für ein zu messendes Fluid und ein
bekanntes Fluid mit bekannter Viskosität. Dieses Prinzip ist darauf begründet, daß die
Leistungskennlinie einer beliebigen Rührvorrichtung, die den Leistungsbeiwert
(Newtonzahl) in Abhängigkeit von der Reynoldszahl zeigt, unabhängig von der Viskosi
tät des Fluids ist.
Wenn somit einmal die Leistungskennlinie einer Rührvorrichtung unter Verwendung ei
nes bekannten Newtonschen Fluids mit bekannter Viskosität aufgenommen wurde,
kann unter Verwendung dieser viskositätsunabhängigen Leistungskennlinie durch
Messung der Leistungsaufnahme bei mehreren verschiedenen Strömungsgeschwin
digkeiten für das zu untersuchende Medium dessen dynamische Viskosität ermittelt
werden bzw. bei Nicht-Newtonschen Fluiden die dynamische Viskosität als Funktion
der Scherrate.
Die Leistungsmessung für das zu untersuchende Fluid erfolgt insbesondere im nicht
turbulenten Bereich, d. h. für eine Reynoldszahl Re, die kleiner ist als die kritische
Reynoldszahl Rekrit, da in diesem Bereich die Meßgenauigkeit aufgrund der starken
Abhängigkeit der Leistungsaufnahme von der Reynoldszahl und somit der Strömungs
geschwindigkeit bei vorgegebener fester dynamischer Viskosität verbessert ist. Im tur
bulenten Bereich verläuft dagegen die Leistungskennlinie annähernd waagrecht, so
daß selbst bei hohen Unterschieden in der Reynoldszahl bzw. der Strömungsge
schwindigkeit bei festgehaltender dynamischer Viskosität keine oder nur sehr geringe
Änderungen in der Leistungsaufnahme auftreten.
Für ausgeprägtes Nicht-Newtonsches Fließverhalten ist eine Leistungsmessung im
turbulenten Bereich möglich, da hier die dynamische Viskosität von der Scherrate, d. h.
Drehzahl des Rührwerks abhängt.
Insbesondere werden zur Bestimmung der dynamischen Viskosität Nicht-Newtonscher
Fluide wenigstens drei Messungen der Leistungsaufnahme bei unterschiedlichen
Strömungsgeschwindigkeiten, d. h. unterschiedlichen Drehzahlen der Rührvorrichtung,
durchgeführt. Bei Nicht-Newtonschen Medien ist die Viskosität von der Scherrate, d. h.
der Strömungsgeschwindigkeit abhängig. Eine Messung der Leistungsaufnahme bei
verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten korrespondiert daher mit entsprechenden
unterschiedlichen, scherratenabhängigen dynamischen Viskositäten des Nicht-
Newtonschen Mediums. Der scherratenabhängige Verlauf der dynamischen Viskosität
eines zu untersuchenden Nicht-Newtonschen Fluids läßt sich aus den Ostwaldschen
Gleichungen oder vergleichbaren Rechenmodellen bestimmen.
Weiter ist es insbesondere vorteilhaft, für das erfindungsgemäße Verfahren zur
Durchführung der Vergleichsmessung ein Newtonsches Fluid mit hoher Viskosität zu
verwenden. Damit wird die Meßgenauigkeit aufgrund der höheren Leistungsaufnah
men bei sehr geringen Strömungsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen der Rührvorrich
tung erhöht. Dies wiederum führt zu einer Verringerung der Fehler bei der Bestimmung
der Leistungskennlinie für niedrige Reynoldszahlen.
Auf vorteilhafte Weise eignet sich Glukoselösung für das hochviskose Newtonsche
Fluid, dessen Viskosität durch Veränderung des Mischungsverhältnisses der Lösung
einstellbar und damit auf das jeweilige Rührsystem anpaßbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere den Vorteil auf, daß In-Situ-
Messungen mit jedem beliebigen Rührwerk, sei es ein System im Labormaßstab oder
ein Rührwerk in der Verwendung im großtechnischen Einsatz, durchgeführt werden
kann. Damit können chemische Prozesse, die mit einer Viskositätsänderung einherge
hen, verfolgt und überwacht werden. Dies ist insbesondere bei der Bierherstellung
vorteilhaft, bei der der Reaktionsfortschritt von in einer Rührvorrichtung gerührter Mai
sche durch eine Viskositätsbestimmung, die wiederum auf eine Messung der Lei
stungsaufnahme am Rührwerk und eine Drehzahlmessung zurückführbar ist, ermittelt
werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich insbesondere von den herkömm
lich bekannten, auf Scherspalten beruhenden Viskosimetern dadurch, daß einerseits
eine Rührvorrichtung, die sowohl zur Erzeugung laminarer als auch turbulenter Strö
mungen geeignet ist, eingesetzt wird, andererseits daß eine Vergleichsmessung ge
genüber einem bekannten Newtonschen Fluid mit bekannter Viskosität durchgeführt
wird, im Gegensatz zur Absolutmessung der dynamischen Viskosität gemäß den Vis
kosimetern nach dem Stand der Technik.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Rührvorrichtung ver
wendet mit einem Rührbehälter, einem Rührorgan und einer Vorrichtung zur Erzeu
gung einer Drehbewegung des Rührorgans bezüglich des Rührbehälters, einer Vor
richtung zur Messung der Leistungsaufnahme für die Erzeugung der relativen Drehbe
wegung und einer Vorrichtung zur Messung der Drehzahl der relativen Drehbewegung.
In vorteilhafter Weise umfaßt die Leistungsaufnahmemeßvorrichtung eine Vorrichtung
zur Messung des Drehmoments, das zur Erzeugung der relativen Drehbewegung bei
in dem Rührbehälter vorhandenem Fluid erforderlich ist. Dabei kann die Drehmoment
messung entweder über Drehmomentaufnehmer, beispielsweise Dehnungsmeßstrei
fen, an dem Rührorgan oder durch Messung des Reaktionsmoments auf den nicht in
Drehung versetzten Teil der Rührvorrichtung erfolgen. In diesem Fall ist vorteilhafter
weise das in dem Rührbehälter vorgesehene Rührorgan über eine Drehwelle angetrie
ben, während der Rührbehälter drehbar gelagert ist und mit einer Kraftmeßeinrichtung
zur Messung des Reaktionsdrehmoments des Rührbehälters gekoppelt ist. Dabei ist es
insbesondere vorteilhaft, die drehbare Lagerung als nahezu reibungsfreie Luftlagerung
auszubilden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, insbesondere im großtechnischen
Maßstab, ist die Leistungaufnahmevorrichtung durch einen Frequenzumrichter mit in
tegriertem Prozeßrechner ausgestaltet. Hierbei wird die Leistung über die aufgenom
mene elektrische Wirkleistung (cos ρ-korrigiert) ermittelt. Die zu berücksichtigenden
Reibverluste von vorhandenen Abdichtungen und Getrieben sind in einem Versuch mit
ungefülltem Rührkessel zu ermitteln.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Rührbehälter beheizbar, wo
durch insbesondere Viskositätsänderungen innerhalb des zu untersuchenden Fluids
durch Anregung eines chemischen Prozesses aufgrund der Wärmeeinwirkung erzeug
bar sind. Damit können Prozeßabläufe aufgrund chemischer Reaktionen in Abhängig
keit von der Zeit durch kontinuierliche Bestimmung der dynamischen Viskosität in der
erfindungsgemäßen Viskositätsmeßvorrichtung bestimmt werden.
Vorteilhafterweise ist das Rührorgan, das an einer drehbaren Welle angebracht ist, mit
Anbaumitteln bewehrt (sog. Strombrecher), um möglichst hohe Leistungsaufnahmen
auch bei niedrigen Drehzahlen zu erzielen, wodurch wiederum die Meßgenauigkeit für
die Leistungsaufnahme bei niedrigen Drehzahlen erhöht wird. Damit wird der Fehler in
der Leistungscharakteristik für den Leistungsbeiwert bei niedrigen Reynoldszahlen
verringert.
Die o. g. Rührvorrichtung ist als Teil eines Systems zur Bierherstellung vorgesehen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann damit der Reaktionsfortschritt der Mai
sche bei der Bierherstellung durch kontinuierliche Messung der Viskosität überwacht
werden. Durch geeignete Variation der Drehzahlen können den Reaktionsfortschritt
charakterisierende rheologische Veränderungen der Maische ermittelt werden, wie z. B.
Auflösen der Feststoffpartikel, Verkleisterungsphasen, Zunahme des Extrakts.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen
in bezug auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Rührvor
richtung;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für ein in der Rührvorrichtung nach der Fig. 1 verwen
detes Rührorgan; und
Fig. 3 eine Grafik, die eine typische Leistungskennlinie einer Rührvorrichtung zeigt.
In der Fig. 1 ist eine zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete
Rührvorrichtung dargestellt. Die in diesem Beispiel gezeigte Rührvorrichtung 10 umfaßt
eine Rührwelle 12, an derem unteren Ende ein Rührorgan 14 angebracht ist. Die
Rührwelle 12 mit dem Rührorgan 14 befindet sich in einem Rührbehälter 16. Die Rühr
welle 12 ist mit einem Motor 13 gekoppelt, mit dem eine Drehbewegung um die Längs
achse der Rührwelle erzeugbar ist. Ein Drehzahlmesser 15 ist beispielsweise mit dem
Motor 13 gekoppelt, mit dem die Drehzahl des Motors und somit der Rührwelle 12 ge
messen werden kann.
Zur Messung einer Leistungsaufnahme ist in der gezeigten Ausführungsform eine Vor
richtung zur Messung des Reaktionsmoments des Rührkessels bei Betätigung des
Motors 13 und Rührens eines in dem Rührkessel 16 vorgesehenen Fluids vorhanden.
Die Vorrichtung zur Messung der Leistungsaufnahme umfaßt einen drehbar gelagerten
Drehteller 18, der an einem Befestigungspunkt im Abstand von seinem Drehpunkt mit
einem Seil 20 verbunden ist, das über eine Umlenkrolle 22 mit einem Gewicht 24 an
seinem anderen Ende verbunden ist. Das Gewicht 24 ruht auf einer Waage 26, mit der
die Gewichtskraft des Gewichts 24 meßbar ist. Die Umlenkrolle 22 ist über eine Fixie
rung 28 gehaltert. Alternativ kann das Seil 20 direkt an eine Kraftmeßzelle montiert
sein, wenn diese waagrecht angeordnet wird.
Vorteilhafterweise ist der Drehteller 18 weitgehend reibungsfrei gelagert. Damit ist eine
besonders genaue Messung des Reaktionsmoments auf den Rührbehälter 16 möglich.
Eine nahezu reibungsfreie Lagerung wird erzielt durch eine Luftlagerung 30, die einen
Lagerteller 32 umfaßt, in dem Luftleitungen und Luftaustrittsöffnungen 33 vorgesehen
sind, mit deren Hilfe durch einen austretenden Luftstrom der Drehteller 18 reibungsfrei
lagerbar ist. Zur Versorgung mit Druckluft ist eine Leitung 36 vorgesehen, in der ein
Drosselventil 38 eingebaut ist. Eine an das Drosselventil 38 anschließende Leitung 37
verzweigt zu einer Vielzahl von weiteren Drosseln 40 zur Versorgung der Luftaustritts
öffnungen 33 in dem Lagerteller 32.
Der Lagerteller 32 wird gehaltert durch eine Basis 34.
Im Unterschied zu der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung zur Leistungsaufnahmemes
sung wäre es auch möglich, das Drehmoment der Rührerwelle bei fixiertem Rührbehäl
ter zu messen. Dazu können Drehmomentaufnehmer, z. B. Dehnungsmeßstreifen, an
der Rührwelle vorgesehen sein. Die Leistungsaufnahme kann auch über den Motor
zum Antrieb des Rührorgans 14 bestimmt werden durch Messung der aufgenomme
nen elektrischen Leistung.
Die Rührvorrichtung 10 besitzt in der in Fig. 1 gezeigten beispielhaften Ausführungs
form eine mittig angeordnete Rührwelle. Entsprechend der skizzierten Ausführungs
form wird ein wandferner Rührer verwirklicht, bei dem das Verhältnis der gesamten
Länge des Rührorgans 14 zum Verhältnis des Durchmessers des Rührbehälters 16 in
der Größenordnung von ca. 0,7 ist. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf ein
solches wandfernes Rührorgan oder das Verhältnis der Rührerlänge zum Durchmes
ser des Rührbehälters beschränkt.
Ganz im Gegenteil, wie nachfolgend aus der Erläuterung des Verfahrens zur Messung
der Viskosität mit der zuvor genannten Rührvorrichtung noch genauer hervorgehen
wird, liegt ein großer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, daß die Viskositätsmes
sung nicht durch die Art der Rührvorrichtung eingeschränkt wird. Vorteilhafterweise ist
die Rührvorrichtung so ausgebildet, daß insbesondere Fluide mit relativ groben Parti
kelbestandteilen, wie z. B. bei der Bierherstellung vorkommende Maischen mit Faser
bestandteilen in der Länge von 4-5 mm, problemlos verarbeitet werden können. Die
Rührvorrichtungsdimensionierung ist ebenfalls in keiner Weise beschränkt. So sind ei
nerseits kleine Rührvorrichtungen im Labormaßstab, die nur zur Aufnahme einer be
grenzten Menge des zu untersuchenden Fluids, beispielsweise im Bereich von 1-10
Litern, geeignet sind, oder andererseits im großtechnischen Maßstab ausgelegte
Rührwerke mit Kapazitäten von mehreren Kubikmetern für die erfindungsgemäße Vis
kositätsmeßvorrichtung geeignet.
Anstelle der in der Ausführungsform der Fig. 1 gezeigten Rührvorrichtung mit mittiger
Rührwelle sind auch Systeme mit exzentrischer Anordnung des Rührorgans geeignet.
Ganz allgemein ist es für die vorliegende Erfindung lediglich notwendig, daß die Rühr
vorrichtung die Eignung besitzt, eine möglichst effiziente Wechselwirkung des Rühr
vorgangs mit dem zu untersuchenden Fluid zu schaffen, um eine, wie später noch ge
nauer zu erläuternde, stark nichtlineare Abhängigkeit des Leistungsbeiwerts bei niedri
gen Reynoldszahlen, d. h. im nichttubulenten Bereich (laminarer Bereich und Über
gangsbereich), zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist beispielsweise das Rührorgan 14
beispielhaft mit den in Fig. 2 gezeigten schaufelartigen Anbauten 142, die an der
Rührwelle 12 vorgesehen sind, ausgestattet.
Generell sind jedoch auch andere Rührorgane, wie z. B. Wendelrührer, Propellerrührer
oder Schneckenrührer geeignet.
Für die Erfindung ist selbstverständlich auch eine Abwandlung geeignet, wonach der
Rührbehälter an einen Motor zur Erzeugung einer Drehbewegung gekoppelt ist, wäh
rend das Rührorgan 14 in seiner Lage fixiert ist. Die Drehmomentabnahme kann in
diesem Fall wieder entweder durch Messung des Reaktionsmoments am Rührorgan
bzw. einer Rührachse oder über geeignete Drehmomentaufnehmer, an einer Drehwel
le zur Erzeugung der Drehbewegung des Rührbehälters erfolgen.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren zur Viskositätsmessung von Mai
sche unter Verwendung einer Rührvorrichtung, wie sie beispielsweise in bezug auf Fig.
1 beschrieben wurde, genauer erläutert werden.
Zunächst wird ein Vergleichsfluid mit bekannter Viskosität in den Rührbehälter 16 von
oben eingefüllt. Obwohl eine spezielle Abdichtung des Rührbehälters nicht unbedingt
notwendig ist, so ist es dennoch denkbar, einen Deckel oder Verschluß über dem
Rührbehälter 16 vorzusehen. Anschließend wird das Rührorgan in Drehung versetzt.
Über den Motor 13 werden verschiedene, durch den Drehzahlmesser 15 ermittelbare
Drehzahlen der Rührwelle 12 erzeugt. Für jede bestimmte, gemessene Drehzahl wird
das Reaktionsmoment des Rührbehälters über eine Messung der Reaktionskraft F in
Verbindung mit der bekannten Hebelarmlänge, die durch den radialen Ansatzpunkt
des Seiles 20 am Drehteller 18 gegeben ist, ermittelt. Aus dem Reaktionsmoment M
ergibt sich in Verbindung mit der bekannten Drehzahl n die Leistungsaufnahme P.
P = M × ω = M × 2 × π × n = F × L × 2 × π × n
Für jede Drehzahl wird die Leistungsaufnahme umgerechnet in den Leistungsbeiwert
Ne (Newtonzahl) gemäß folgender Formel:
Ne = P/(ρ × n3 × d5), (1)
wobei ρ die Dichte des im Rührbehälter vorgesehenen Fluids, n die Drehzahl und d der
Rührdurchmesser des Rührorgans 14 ist. Außerdem wird für jede Messung bei vorge
gebener Drehzahl die Reynoldszahl Re gemäß folgender Formel ermittelt:
Re = n × d2 × ρ/η, (2)
wobei η die dynamische Viskosität des Mediums ist bzw. bei Nicht-Newtonschen Flui
den die dynamische Viskosität für die jeweilige drehzahlabhängige Scherrate.
Die obige Formel für die Reynoldszahl gilt jedoch nur für Newtonsche Medien, bei de
nen das Newtonsche Reibungsgesetz gilt. Das Newtonsche Reibungsgesetz be
schreibt die Stärke der Reibungskraft zwischen den einzelnen Schichten einer lamina
ren Strömung. Dabei ist die Kraft, die auf eine einzelne Schicht wird, proportional zur
Fläche der Schicht und zum Geschwindigkeitsgradienten zu den benachbarten
Schichten.
Um die korrekte Korrelation zwischen der Reynoldszahl und der dynamischen Viskosi
tät sicherzustellen, ist es erforderlich, die anfänglichen Messungen der Leistungsauf
nahme bei verschiedenen Drehzahlen mit einem bekannten Newtonschen Fluid, das
dem Newtonschen Reibungsgesetz gehorcht, durchzuführen. Insbesondere ist es
vorteilhaft, hochviskose Newtonsche Fluide zu verwenden, da in diesem Fall eine ver
gleichsweise hohe Leistungsaufnahme auch noch bei sehr niedrigen Drehzahlen auf
tritt. Damit sind genaue Messungen der Leistungsaufnahme auch noch im Bereich
niedriger Drehzahlen und somit vergleichsweise kleiner Reynoldszahlen möglich. Es ist
besonders vorteilhaft, Glukoselösung als das Newtonsche Fluid zu verwenden. Durch
Veränderung des Mischungsverhältnisses ist bei Glukoselösungen die dynamische
Viskosität an die Erfordernisse des Systems anpaßbar.
Die Meßergebnisse in Form des Leistungsbeiwerts Ne in Abhängigkeit von der
Reynoldszahl Re werden in Form eines Diagramms, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, aufge
tragen. Diese Leistungskennlinie ist rührwerksspezifisch. Der Leistungsbeiwert in Ab
hängigkeit von der Reynoldszahl ändert sich in Abhängigkeit von der Geometrie, Di
mensionierung oder der Gestaltung, z. B. der Anbauelemente des Rührorgans.
Andererseits ist diese Leistungskennlinie jedoch unabhängig von der Viskosität des im
Rührbehälter vorhandenen Fluids. Dies bildet die Grundlage für die Viskositätsmes
sung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf einem Vergleich des Fluids mit unbe
kannter Viskosität mit einem Fluid bekannter Viskosität anhand dieser Leistungskenn
linie beruht.
Zur Messung der Viskosität des zu untersuchenden Fluids wird dieses anstelle des zu
vor verwendeten Fluids bekannter Viskosität in dem Rührbehälter vorgesehen. Nun
werden wiederum Leistungsmessungen bei unterschiedlichen Drehzahlen durchge
führt. Die Leistungsaufnahme wird wiederum umgerechnet in den Leistungsbeiwert,
aus dem die entsprechende Reynoldszahl gemäß der zuvor aufgenommenen, in der
Fig. 3 gezeigten Leistungskennlinie ermittelt wird. Sofern es sich bei dem zu untersu
chenden Fluid um ein Newtonsches Fluid handelt, reicht ein einziger Meßwert der Lei
stungsaufnahme und der Drehzahl zur Bestimmung der dynamischen Viskosität ge
mäß den o. g. Formeln 1 und 2.
Aus der in Fig. 3 gezeigten Leistungskennlinie ist ersichtlich, daß die Messung der Lei
stungsaufnahme im nichtturbulenten Bereich durchgeführt werden muß, d. h. bei
Reynoldszahlen kleiner als 10.000, da sonst keine eindeutige Zuordnung eines ermit
telten Leistungsbeiwerts Ne zu einer bestimmten Reynoldszahl möglich ist. Wie aus
der Fig. 3 deutlich ersichtlich ist, nimmt die Leistungskennlinie für Reynoldszahlen
oberhalb von 10.000, d. h. oberhalb von Re < Rtubulent, einen waagrechten Verlauf an.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch insbesondere vorteilhaft zur Bestimmung der dy
namischen Viskosität Nicht-Newtonscher Fluide. Nicht-Newtonsche Fluide, wie Sus
pensionen, unterscheiden sich in ihrer Viskosität stark von der der reinen Trägerflüs
sigkeit ohne jegliche Feststoffbeladung. Beim Nicht-Newtonschen Fluid ist ein verän
dertes Fließverhalten vorhanden, das in Abhängigkeit von der Art des Feststoffes zu
einem strukturviskosen oder dilatenten Fließverhalten führt.
Für Nicht-Newtonsche Fluide ist die Viskosität abhängig von der Scherrate, d. h. der
Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Die Scherrate korreliert im wesentlichen mit der
Drehzahl des Rührorgans. Für ein Nicht-Newtonsches Medium kann die einem Expo
nentialverlauf folgende scherratenabhängige dynamische Viskosität aus der nachfol
genden Ostwald-Gleichung ermittelt werden, wenn wenigstens drei Meßpunkte vorlie
gen, aus der k und m ermittelt werden können.
η = k/1-m,
wobei k eine Konstante der Dimension Pa.sm (Konsistenzfaktor) ist, m (Fließindex) eine
ganze Zahl und ein Maß für den Leistungsbeiwert ist.
Somit wird durch die Bestimmung der Leistungsaufnahme bei drei Drehzahlen einer
Gleichung, und daraus durch Bestimmung des Leistungsbeiwerts bei unterschiedlichen
Drehzahlen über eine Lösung der Ostwald-Gleichung die dynamische Viskosität des zu
untersuchenden Fluids erhalten. Die Messungen werden vorteilhafterweise in einem
Bereich hoher Steigung der in Fig. 3 gezeigten Leistungskennlinie, d. h. bei niedrigen
Reynoldszahlen durchgeführt, da dort die höchste Genauigkeit für die Lösung des
Gleichungssystems aus den Ostwald-Gleichungen erzielbar ist. Außerdem sollten die
Meßpunkte geeignet beabstandet sein, um die in die Lösung der Ostwald-Gleichungen
einfließenden Meßfehler möglichst gering zu halten.
Im Bereich niedriger Reynoldszahlen folgt die Leistungskennlinie näherungsweise ei
nem Verlauf von 1/Re. Je näher die Leistungskennlinie dem 1/Re-Verlauf folgt, d. h. je
kleiner die Reynoldszahlen sind, desto besser kann durch die analytische Beschrei
bung der Leistungskennlinie die gesuchte scherratenabhängige dynamische Viskosität
des zu untersuchenden Nicht-Newtonschen Fluids erhalten werden.
Die scherratenabhängige dynamische Viskosität eines Nicht-Newtonschen Mediums
kann sich zeitlich verändern. Dies tritt insbesondere bei Strukturviskosität des Mediums
auf, die entsteht durch die Zerstörung von Vernetzungspunkten zwischen Makromole
külen und Partikeln und deren Ausrichtung entsprechend der Deformation des Medi
ums. Soweit keine Regeneration auftritt, kann hierdurch über die zeitliche Änderung
der Viskosität der Zustand des gerührten Mediums in Abhängigkeit von der Zeit be
stimmt werden.
Andererseits läßt sich durch eine zeitliche Abhängigkeit der dynamischen Viskosität
auch ein Reaktionszustand einer chemisch reaktionsfähigen Substanz ermitteln, sofern
der Anfangs- und Endzustand unterschiedliche Viskosität aufweisen. Dies läßt sich
vorteilhaft beispielsweise bei der Bierherstellung einsetzen, wo ein vorbestimmter Re
aktionsprozeßfortschritt der in einer Rührvorrichtung durchmischten Maische bestimmt
werden soll. Da der Prozeßfortschritt der Maische in eindeutigem Zusammenhang ei
ner ermittelbaren Viskosität steht, kann durch eine zeitlich andauernde Messung der
dynamischen Viskosität, die auf eine Leistungsmessung bei gegebener Drehzahl zu
rückgeführt wird, der Reifegrad der Maische ermittelt werden. Die Kontrolle des Reakti
onsfortschritts mittels Leistungsmessung wird begünstigt durch die Temperaturführung
des Prozesses. Der Maischprozeß wird bei verschiedenen Temperaturniveaus gefah
ren, die jeweils das enzymspezifische Temperaturoptimum darstellen, so daß die Lei
stungs- bzw. Viskositätsänderung zum jeweiligen Temperaturniveau Aufschluß über
den Fortschritt der korrespondierenden Enzymreaktion gibt. Typische durch Viskosität
sänderung charakterisierende Reaktionsphasen sind z. B. Kolloidbildung in der Ver
kleistungsphase, Abbau von Feststoffpartikel (Grieße), Abbau von hochmolekularen
Eiweißverbindungen.
Zur Stimulierung einer chemischen Reaktion, die die Viskosität des gerührten Fluids
verändert, ist vorteilhafterweise eine Heizvorrichtung an der Rührvorrichtung vorgese
hen. Es können weitere Einrichtungen, die zur Ingangsetzung einer chemischen Um
wandlung geeignet sind, wie Einspeisungsvorrichtungen für chemische Zusatzstoffe,
etc., an der Rührvorrichtung vorgesehen sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Viskosität besitzt insbesondere
den Vorteil, daß die dynamische Viskosität für Nicht-Newtonsche Fluide bestimmbar
sind, die mit den herkömmlichen Viskosimetern, z. B. dem Rotationsviskosimeter, nicht
ermittelbar war. Insbesondere bei Medien mit Beladung von sehr groben Feststoffen,
wie Biermaischen, in denen Fasern (Spelzen) mit mehreren Millimetern Länge vorhan
den sind, wird durch die Erfindung die bisher nicht bestehende Möglichkeit der Viskosi
tätsmessung geschaffen. Die Erfindung ist außerdem insbesondere darin vorteilhaft,
daß eine In-situ-Messung der Viskosität mit der im großtechnischen Einsatz verwende
ten Rührvorrichtung möglich ist. Damit kann mit einer beliebigen Rührvorrichtung die
Viskosität unbekannter Nicht-Newtonscher Medien bestimmt werden, wenn einmal eine
Eichung unter Aufnahme der Leistungskennlinie der Rührvorrichtung mittels eines be
kannten Newtonschen Mediums durchgeführt wurde.
Claims (13)
1. Verfahren zur Viskositätsmessung von Maischen mit Nicht-Newtonschem Fließ
verhalten unter Verwendung einer Rührvorrichtung mit einem Rührbehälter zur
Aufnahme der Maische, einem in dem Rührbehälter angeordneten Rührorgan,
und einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Drehbewegung des Rührorgans be
züglich des Rührbehälters,
wobei die Leistungsaufnahme bei einer Vielzahl von ermittelbaren Drehzahlwer ten für ein Fluid mit bekannter dynamischer Viskosität gemessen wird und eine rührvorrichtungsspezifische und von der Art des Mediums unabhängige Lei stungskennlinie bestimmt wird, wobei die rührvorrichtungsspezifische Leistungs kennlinie bestimmt wird durch den Leistungsbeiwert (Ne) über der Reynoldszahl (Re), und
Messen der Leistungsaufnahme bei wenigstens einer Drehzahl für die zu unter suchende Maische, deren Viskosität ermittelt werden soll, und
Berechnen der gesuchten Viskosität des zu untersuchenden Mediums aus der Leistungskennlinie, der gemessenen Leistungsaufnahme und der für die Lei stungsaufnahmemessung angewendeten Drehzahl.
wobei die Leistungsaufnahme bei einer Vielzahl von ermittelbaren Drehzahlwer ten für ein Fluid mit bekannter dynamischer Viskosität gemessen wird und eine rührvorrichtungsspezifische und von der Art des Mediums unabhängige Lei stungskennlinie bestimmt wird, wobei die rührvorrichtungsspezifische Leistungs kennlinie bestimmt wird durch den Leistungsbeiwert (Ne) über der Reynoldszahl (Re), und
Messen der Leistungsaufnahme bei wenigstens einer Drehzahl für die zu unter suchende Maische, deren Viskosität ermittelt werden soll, und
Berechnen der gesuchten Viskosität des zu untersuchenden Mediums aus der Leistungskennlinie, der gemessenen Leistungsaufnahme und der für die Lei stungsaufnahmemessung angewendeten Drehzahl.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Leistungsaufnahmemes
sung für das zu untersuchende Fluid im nichtturbulenten Bereich (Re < Returbulent)
durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei wenigstens drei Leistungs
aufnehmemessungen für die zu untersuchende Maische bei unterschiedlichen
Drehzahlen durchgeführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Bestimmung der Lei
stungskennlinie ein Newtonsches Fluid mit hoher Viskosität verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das hochviskose Newtonsche Fluid eine Glu
koselösung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leistungsmessung eine
Drehzahlmessung und eine Messung des Drehmoments zur Erzeugung der
Drehbewegung in der Rührvorrichtung umfaßt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leistungsmessung eine
Drehzahlmessung und eine Messung eines Reaktionsmoments des nicht in Dre
hung versetzten Elements der Rührvorrichtung umfaßt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leistungsmessung eine
Messung einer von der Vorrichtung zur Erzeugung der Drehbewegung aufge
nommenen elektrischen Leistung umfaßt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei Stördrehmomente resultie
rend aus der Abdichtung, Getriebe oder Lagerung der Rührwelle in einer Ver
gleichsmessung mit unbefülltem Rührbehälter kalibriert werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Rührvorrichtung mit
fixiertem Rührbehälter und drehbarem Rührorgan verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Rührvorgang mit Anbauteilen bewehrt ist.
12. Verfahren nach einem der vorhergenannten Ansprüche, wobei der Rührerbehäl
ter beheizt wird und die Leistungsaufnahmemessungen für die zu untersuchende
Maische zu vorbestimmten Zeitabständen wiederholt werden zur Bestimmung ei
ner Zeitabhängigkeit der dynamischen Viskosität der untersuchten Maische.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei aus der ermittel
ten Viskosität der Reaktionsfortschritt der Maische bei der Bierherstellung be
stimmt wird.
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